Введение к работе
Актуальность работы. Российская Федерация в мировой системе оборота энергоресурсов занимает одно из ведущих и ключевых мест, и особенно значимы позиции нашей страны на мировом рынке природного газа. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа целесообразно путем обоснования эффективности (технической, экономической и экологической) использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА), разработки и внедрения частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА), с использованием релейно-импульсных табличных алгоритмов управления.
Главной целью энергетической политики Российской Федерации является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и всего потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики и качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. Важнейшими направлениями развития газотранспортной системы (ГТС) является повышение ее энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности. Для этого в «Энергетической стратегии России до 2030 года» и основных программных документах ОАО «Газпром», которые определяют вектор развития ГТС, выделены следующие основные направления: реконструкция газотранспортных объектов и системная организация технологических режимов работы магистральных газопроводов; сокращение потерь газа; внедрение автоматизированных систем управления и телемеханики; улучшение технического состояния ГПА; расширение использования регулируемых ЭГПА.
Большое внимание повышению энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности трубопроводного транспорта природного газа, за счет использования электротехнических комплексов на основе частотно-регулируемых электроприводов, в разные годы уделяли такие известные отечественные ученые как: Демирчян К.С., Жежеленко И.В., Микитченко А.Я., Шидловский А.К., Чаплыгин Е.Е., Рудаков В.В., Браславский И.Я., Шрейнер Р.Т., Ершов М.С., Козаченко А.Н., Пронин М.В., Абрамович Б.Н., Ефимов А.А., Емельянов А.П., Крюков О.В., Будзуляк Б.В. и др. Интерес к разработке и использованию ЭГПА проявляют различные электротехнические, газодобывающие и транспортирующие компании мира: ОАО «Газпром», Statoil, ABB, Siemens, MAN и др.
Несмотря на уже накопленный в мировой практике опыт разработки и строительства компрессорных станций (КС) не до конца решен ряд вопросов с выбором типа привода центробежных нагнетателей (ЦН) ГПА и обоснованием его эффективности. В настоящее время продолжается поиск, направленный на разработку методик рационального выбора типа привода ГПА с учетом всех факторов эффективной, надежной, безопасной и экологичной работы ГТС. Так, сегодня, на КС в Российской Федерации, доминирующее положение занимает газотурбинный привод (ГТ) ГПА, доля которого около 86%, с износом в среднем 20-25 лет, по отдельным агрегатам 40 лет. Это обстоятельство приводит к сжиганию природного газа в качестве топлива ГПА от 11 до 15 % всего транспортируемого газа, а транспортная составляющая в его стоимости достигает 52%. Эти обстоятельства делают российский природный газ менее конкурентоспособным на мировом рынке энергоресурсов.
Другим актуальным вопросом создания ГПА на основе высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН является разработка рациональной структуры электропривода и алгоритмов управления полупроводниковыми ключами преобразователей частоты и режимами работы электродвигателей с улучшенной электромагнитной и электромеханической совместимостью.
Указанные актуальные вопросы по разработке ЭГПА и их рациональному использованию определили содержание настоящей работы.
Цель работы. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа путем обоснования эффективности (технической, экономической и экологической) использования ЭГПА и разработки частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА, с использованием предложенной структуры и алгоритмов управления электроприводами.
Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:
1. Проведен анализ и дана оценка основных типов приводов ГПА с различных точек зрения, а именно, энерго- и ресурсосбережения, технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и экологичности, и обоснована эффективность использования высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА.
2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого активного выпрямителя и автономного инвертора и управления режимами работ приводным асинхронным электродвигателем ГПА на основе релейно-импульсных табличных алгоритмов управления (ТАУ).
3. Предложена мультиструктурная система управления технологическими режимами работы ЭГПА на базе разработанных алгоритмов управления электроприводом.
4. Построена математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения – преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель – центробежный нагнетатель – магистральный газопровод» с возможностью исследования характеристик электропривода.
5. Исследованы энергетические, регулировочные и электромагнитные характеристики частотно-регулируемого электропривода в различных технологических режимах работы ГПА и обоснована эффективность применения разработанных алгоритмов управления.
Идея работы. Обеспечение энерго- и ресурсосбережения, повышение технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и экологичности транспортировки природного газа по магистральным газопроводам при переменной газоподаче и газопотреблении, целесообразно производить с использованием частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА c релейно-импульсными ТАУ режимами работы электродвигателей и преобразователями частоты, что позволит улучшить энергетические показатели электроприводов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории электропривода, методы теории автоматического управления сложной электромеханической системой. Математическое имитационное моделирование, расчеты и анализ полученных результатов проводились с использованием пакета прикладных программ MatLab. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете частотно-регулируемого электропривода.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения – преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель – центробежный нагнетатель – магистральный газопровод».
2. Установлены зависимости изменения электромагнитной и электромеханической совместимости электропривода от динамических нагрузок и производительности ЭГПА в различных технологических режимах работы, позволяющие обосновать необходимый алгоритм системы управления ЭГПА, обеспечивающий энергетически эффективный режим работы агрегата.
Защищаемые научные положения:
1. Применение частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов на основе высокооборотных асинхронных электродвигателей обеспечивает энерго-, ресурсосбережение, а именно, снижение расхода топливно-энергетических ресурсов компрессорных станций, повышения надежности и технико-экономических показателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также безопасности и экологичности компрессорных станций.
2. Для обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости в электротехнических комплексах газоперекачивающих агрегатов целесообразно использование релейно-импульсных табличных алгоритмов управления трехуровневыми преобразователями частоты, состоящими из активных выпрямителей и автономных инверторов, и режимами работы приводного электродвигателя, что обеспечит повышение коэффициента мощности электропривода до 0,92-0,97 и снижение коэффициентов несинусоидальных искажений формы тока сети электроснабжения и тока статора асинхронного электродвигателя ниже 5 %.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования, а также экспериментальных исследований частотно-регулируемого электропривода с релейно-импульсными табличными алгоритмами управления не менее 95%.
Практическая ценность работы:
1. Проведена оценка эффективности расхода топливно-энергетических ресурсов на компрессорных станциях при использовании ГПА с газотурбинным и электрическим приводом, проведена технико-экономическая оценка различных типов электроприводов, рассмотрены экологические особенности использования газотурбинного и электрического приводов ГПА.
2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого преобразователя частоты, состоящего из активного выпрямителя и автономного инвертора, и алгоритм управления режимами работы асинхронного электродвигателя ГПА на основе релейно-импульсных ТАУ, обеспечивающих электромагнитную и электромеханическую совместимость ЭГПА.
3. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2467462 «Трехфазный активный выпрямитель».
4. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2476982 «Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором».
Внедрение разработанных алгоритмов управления ЭГПА осуществлено в ЗАО «РЭП Холдинг» и ОАО «Газпром автоматизация».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях: всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области энергетики и энергосбережения» в 2011 году в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ); на всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ «Эврика-2011» в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ); международной пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» в 2012 году в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; на XIV международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» в 2012 году (Национальный исследовательский университет «МЭИ»); на VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу в 2012 году в Ивановском государственном энергетическом университете имени В.И.Ленина; а также, на следующих выставках: на форуме-выставке «Нефть Газ Промышленность» в 2012 в г.Москва; 64-ой международной выставке Ideas – Inventions - New Products (IENA-2012) в г. Нюрнберг (Германия); на X Международном энергетическом форуме – выставке «ТЭК России в XXI веке» в 2012 году в г.Москве; на XV Международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» в 2012 году в г.Москва. Также в диссертации представлены результаты научно-исследовательской работы, выполняемой в рамках государственного контракта № 14.740.11.1290 от 17 июня 2011 года, на тему «Энергоэффективность и энергосбережение объектов магистрального газопровода», выполняемой в 2011-2012 годах, на кафедре электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (научный руководитель работы Васильев Б.Ю.).
Личный вклад автора. Обоснована эффективность использования ЭГПА на КС в части обеспечения энерго- и ресурсосбережения, экономической эффективности и экологической и промышленной безопасности. Разработаны структура и алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом ГПА. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения – преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель – центробежный нагнетатель – магистральный газопровод» с возможностью исследования характеристик электропривода с различными алгоритмами управления. Произведены лабораторные исследования на стендовом макете асинхронного частотно-регулируемого электропривода.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 7 научных изданиях, включенных в «Перечень ВАК…» и двух патентах РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 192 страницах, содержит 83 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 98 наименований.
